第02章系统科学与系统工程.doc

第 2 章 系统科学与系统工程学习要点1了解现代系统科学体系2熟悉系统理论3掌握系统工程定义及基本观点4掌握系统工程的基础理论5. 掌握系统工程的方法论2.1系统科学体系2.1.1现代系统科学体系2.1.1.1 系统科学的形成与发展系统科学的形成是认识论和科学技术发展的结果，从认识论上看，它是在系统思想从经验上升到哲学，从思辨进展到定性、再到定量的发展中形成的，体现了从整体论到还原论、再到整体还原论的发展历程；从科学技术发展方面看，科学技术的发展使人们在从微观到宏观、直至宇观的所有层次中从物质世界到生物界、再到人类社会的所有领域的认识进一步深化，尤其是一般系统论、运筹学、控制论和信息论等现代科学技术的出现，使系统思想在辩证唯物论那里取得了哲学表达形式的同时又获得了数学表达形式和计算工具，从而形成了既有哲学表达形式、又有定量描述形式和计算工具的观念、理论、技术、方法齐全的科学系统科学。随着人们认识的进一步深化，在将系统组织成有序结构的过程中，提高组织效能成为系统科学的研究重点。贝尔纳图样、激光、超导等现象的出现并成功得到解释，说明系统的组织除“他组织”外尚存在“自组织”，以往人们只注意“他组织”，而忽视“自组织”，因此开始了以非线性理论研究为基础的自组织理论研究，如普里高津的耗散结构理论、哈肯的协同学、艾根的超循环理论等。随着科学技术的进一步发展，人们面临的问题越来越复杂、规模越来越大。什么是复杂性、它是怎么产生的、应如何研究这类系统等问题急需解决，因此科学家们进行了大量研究，提出了很多新的理论与方法，其中美国圣菲研究所提出的复杂适应系统理论、钱学森教授提出的开放复杂巨系统理论与方法最具代表性。这些理论和方法的产生，大大丰富了系统科学，也促进了系统科学的发展。当前系统科学仍有很多尚未开发的领域和尚未研究的空白，需要更多创新性的理论、技术、方法和工具，具有广阔的发展空间。2.1.1.2 现代系统科学体系钱学森教授于1996年构造设计的系统科学体系见图2.1.12 。马克思主义哲学人认识客观和主观世界的科学哲学性 智量 智本表摘自系统科学许国志 第13页图2.1.1 系统科学体系 文 艺 活 动美 学建 筑 哲学人 学军 事 哲学地 理 哲学人 天 观认 识 论系 统 论数 学 哲学唯 物 史观自然辩证法桥梁文艺理论建行军地人思系数社自基础理论筑 科为 科事 科理 科体 科维 科统 科学 科会 科然 科技术科学文艺创作学学学学学学学学学学应用技术实践经验知识库和哲学思维 前科学不成文的实践感受按钱学森教授的构想，现代科学技术体系纵向可分为四个层次，即哲学、基础科学、技术科学和工程技术；横向可由自然科学、社会科学、数学科学、系统科学、人体科学和思维科学组成。系统科学是在自然科学、社会科学和数学科学之外正在形成的一个新的学科体系。钱学森教授认为，在系统科学中，直接与改造客观世界的社会实践相联系的是一类新的工程学，即系统工程、自动化技术和通信技术，它们属工程技术层次的科学，这类工程技术的共同基础理论是运筹学、控制论和信息论，它们属技术科学层次的科学。系统科学也像自然科学一样有基础科学，构筑这门基础科学的材料一方面来自工程技术实践中提炼的技术科学，即运筹学、控制论和信息论；另一方面来自自然科学和数学科学中的系统理论，如冯贝塔朗费的一般系统理论和理论生物学、普里高津的耗散结构理论、哈肯的协同学、托姆的突变论、艾肯的生命自组织超循环理论等，把上述两方面的材料，融汇贯通、综合发展就可能建立起系统科学的基础科学、适应于一切系统的一般理论系统学。系统科学从各门系统工程到运筹学、控制论和信息论，再到系统学就形成了一个体系系统科学。从马克思主义哲学到系统学的桥梁可以称为“系统观”或“系统论”，它将成为辩证唯物主义的一个组成部分。2.1.2 系统理论在系统科学中，构成系统学的几个基本理论是：一般系统理论、运筹学、控制论、信息论、协同论、突变论和耗散结构以及复杂适应系统理论、开放复杂巨系统理论等。2.1.2.1 一般系统理论该理论是美籍奥地利理论生物学家冯贝塔朗费创立的逻辑和数学领域的科学，其目的是为了要建立适用于系统的一般原则并对系统的共性进行概括。一般系统理论起源于机体论，是从人与生物出发的一种与机械论相对立的生物学理论。冯贝塔朗费指出机械论的三个基本错误是：简单分解，简单叠加；机械观点；被动反应观点。冯贝塔朗费针对“简单分解、简单相加原理”，提出了“非加和”原理和“整体大于部分之和”的概念。他认为：把有机体分解为各要素，并简单相加以说明机体的属性是错误的，把孤立的各组成部分的活动性质和活动方式简单的相加，不能说明高一级水平的活动性质和活动方式。如果了解各组成部分之间存在的全部关系，则高一级水平的活动就能从各组成部分的关系中推导出来。因此，要了解事物的整体特性，就要了解各组成部分，更要了解它们之间的关系。这与前面介绍的系统思想是一致的。冯贝塔朗费针对机械论的错误观点，提出适用于系统的一般原则为：整体性原则；相互关联原则；有序性原则和动态原则。整体性原则就是一切有机体都是一个整体系统；相互关联原则就是系统各组成部分之间都是相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的；有序性原则就是一切有机体都是按严格的等级组织起来的；动态原则就是这一切有机体本身都处于积极的运动状态，而不仅是被动的反应。冯贝塔朗费从理论生物学的角度总结了系统思想，运用类比、同构的方法建立起开放系统的一般系统论，提出生命现象的有组织性、有目的性和有序性。如果把研究对象当做一个系统有机整体，就完全可以应用贝塔朗费的系统论。 2.1.2.2 耗散结构学说耗散结构学说是比利时物理学家普里高津于1969年创立的一种非平衡系统理论。普里高津认为，非平衡可为有序之源，不可逆过程可导致一种新型物态。他把这种远离平衡态的、稳定的、有序的结构称为耗散结构，回答了开放系统如何由无序走向有序的问题，并因此而荣获了诺贝尔奖。（1） 平衡、稳定和有序的概念。 马克思认为：“平衡是经常不断地消除经常的不协调”；恩格斯认为：“相对静止即平衡”；毛泽东说：“所谓平衡就是矛盾暂时的相对的统一”。因此，平衡具有协调、按比例、静止、统一等含义，可定义为：系统各组成部分间保持相互协调、保持既定的某种比例而体现出的系统整体状态称为平衡态，简称平衡。一般而言，它是人们追求的目标。用数学语言可描述为：反映系统特征量的边际值为零的状态： 或 式中： 系统整体特征的变化率； 第要素的变化率； 时间的变化率。在经济系统中，总供给等于总需求、收入等于支出，均可称为平衡，否则称为非平衡。稳定与平衡密切相关，按控制论的观点，如果系统处于平衡态，在一小的扰动下使其偏离平衡态，在一即定的时间内系统靠自身的力量仍能保持其平衡态，则该平衡态是稳定的，称稳定的平衡态，否则是不稳定的平衡态。有序是指系统各组成部分有严格的秩序和结构，而无序则是组成部分杂乱无章，没有一定的秩序。系统有序与无序是相对的，一般用“熵”来度量系统的有序程度。熵越大系统无序程度越高，反之系统有序程度越高。（2） 耗散结构。 耗散结构的概念是对应于平衡结构而提出的，它的严格定义来自于物理学中的非平衡态热力学。平衡态热力学主要以平衡系统的稳定有序结构为研究对象，解决整个系统由稳定有序结构变成不稳定的相对无序的结构，或变成稳定的有序程度较低的结构问题。关于非平衡态以及从无序到有序的变化机制只能由耗散结构学说来解释。人们通常认为，系统若处于一种混乱无序的非平衡状态是不可能出现一种稳定有序结构的。但普里高津通过长期的研究后指出：远离平衡态的开放系统在外界条件变化达到某一阈值时，量变可能引起质变，系统通过与外界不断地交换能量和物质，自动产生一种自组织现象，组成系统的各子系统会形成一种互相协同的作用，可能使系统从原来的无序状态转变为一种稳定有序的结构，从而实现系统由无序向有序、由较低的有序向较高的有序转化。这种非平衡态下的稳定有序结构称为耗散结构，它是一种动态的稳定有序结构。（3） 耗散结构学说的基本观点。 耗散结构学说的基本观点为：耗散结构是系统的客观表现，其产生条件为：系统必须是与环境进行能量、物质和信息交换的开放系统，并不断地引入足够大的负熵流；系统必须是远离平衡态的非平衡系统；系统内各要素之间存在非线性的相互作用。一个系统熵的变化由二项构成，一项是系统内的熵产生。一项是系统与外界进行能量交换引起的熵流，可表示为当系统是孤立系统或封闭系统时，因与外界环境不存在能量、物质、信息的交换，故=0，此时，如系统处于非平衡态，按热力学第二定律，非平衡态总是使系统不可逆地、自发地趋于熵取最大值的平衡态，将逐渐增大，随之增大，因总熵不断增加，系统由有序逐渐变为无序，系统最终必定走向平衡；此时，如系统处于平衡态，已达极大值，=0，总熵也达到最大值，系统处于完全无序状态。当系统开放且处于非平衡态时，在与环境进行能量、物质、信息的交换过程中产生熵流，熵流可正，可负，可为零，如果0，且其绝对值大于熵产生时，才可能有0，才能使为负，系统总熵才能减少，系统才能由无序走向有序。这种负熵流的引入将离不开系统与环境的交流和远离平衡态两个条件，这两个条件就是系统由稳定的无序产生不稳定的有序，再到稳定有序的必要条件。从数学的角度看，系统的某种特定状态对应于系统动力学方程的某个特解，在系统由稳定无序向稳定有序转变过程中的行为所对应的特解应既可能有不稳定特解，又可能有稳定特解，此情况下的系统动力学方程必须是非线性的，所以耗散结构的形成又必须以系统内各要素间的非线性为充分条件。用耗散结构理论研究经济系统，可以这样理解：当经济系统是开放的且处于非平衡态时，意味着各经济部门发展不平衡且向平衡发展，此时熵产生大于熵流。如果与外界交流较少时，系统将因熵增大而逐渐走向平衡。但当某些发展快的部门从外界获得足够的资金和技术，便会迅速发展壮大，系统中的其他部门一部分可能消亡，另一部分则会在它们的带动和影响下也逐渐发展，从而使整个系统生机勃勃，这是因为引入的负熵的绝对值大于熵产生0，系统就更加无序。如果熵产生达到最大值，则该经济系统就完全无序，走向死亡。但经济系统不会走向终结，因为在系统处于非平衡态时，只要是开放的，必定会产生新的投资热点，萌生出新的经济增长点，使系统向更高的有序前进。2.1.2.3 协同学协同学是西德物理学家哈肯在20世纪70年代后期建立起来的一种非平衡系统论，它是以研究不同学科间存在着的共同特征为目的的一门横断学科，也是许多学科形成的一门边缘学科。它借助耗散结构理论的研究成果，成功地解释了系统的局部与整体，系统由简单到复杂，从低级到高级，由无序到有序稳定发展过程中最本质的东西，即协同作用。哈肯认为：必须从形成非平衡有序结构的系统行为入手，建立共同的数学模型，并对其进行动力学和统计学两方面的考察，才能认识非平衡开放系统的稳定有序结构形成的条件，特征及其规律。按协同学的观点，系统均是物质的且可分为封闭系统和开放系统两类。非平衡的封闭系统只能自发地趋于平衡。趋于封闭的平衡也就是趋于无序、趋于简单。一个开放的系统既可处于平衡态，也可处于非平衡态。处于平衡态的开放系统在一定条件下可呈现出有序结构，称为静的有序。处于非平衡态的开放系统在一定条件下也能出现宏观有序结构，称为动的有序。开放性是产生有序结构的必要条件，而非线性是产生有序的基础，只有协同性才是产生有序性的直接原因。系统的主要特征是协同性，而层次性、结构稳定性、有序性都与协同性有关。因此，协同学在系统论创新过程中发挥了重大的作用。系统的协同性是系统整体性的理论依据，它可以拓展到各种复杂系统，它说明整个自然界是由无限多个不同的物质形态组成的相互联系的统一体。根据统一性原则，认为可以利用已知系统揭示的规律性去认识和揭示未知的各种复杂系统的规律性。因此，在研究系统时，只需模拟一个已知的复杂系统的特征所得到的基本理论、规律、方法，就可将它推广到未知的复杂系统中去。系统的这种属性称为系统的规范性。此外，由协同学的研究引出系统论的协同性原则可定义为一个开放系统内部各子系统之间的协调同步的非线性作用。由此可知，协同性与有序性恰好构成一个因果关系，也即协同性是有序性的原因，而有序性则是协同性的结果。一个开放系统，由于协同性所导致的有序性是一种“活”的有序性，或称“动”的有序性。正是这种动态性，才使系统得以发展。总之，系统论的很多特性与原则，都是从协同性的研究中获得解释的，因此，系统论的协同性、规范性、自组织性（即系统由自身矛盾运动能够自身走向有序结构，它是系统通过信息的反馈作用在与环境交换物质和能量的过程中，不断地调整自己行为和活动的结果）等都是从近代科学研究新成果中引出的。这不但丰富了系统论的研究内容，而且为我们发展和创新系统论打开了思路，提供了新的方法。协同学主要是从物理学角度出发运用现代科学技术的最新成果和现代数学理论提出了多维相空间的理论，研究了系统的组织状态，提出系统必定走向一有序结构，该结构就是系统的客观目标，不管从空间的哪一点开始，终归要走到这个代表有序结构的点，系统只有在此目标上才是稳定的，否则就不稳定。该理论解决了复杂系统如何由无序走向有序，且证明了不仅开放系统如此，封闭系统也如此；不仅平衡系统如此，即使非平衡态也如此。可见哈肯的系统论比普里戈金提出的耗散结构更前进了一步。 2.1.2.4 复杂适应系统理论复杂适应系统是计算机学家霍兰于1994年在圣菲研究所成立十周年时提出的认识和处理复杂系统的理论。该理论从系统复杂性的产生机制上彻底打破还原论的思维框架，为人类解决复杂系统问题提供了新的思路、方法和工具。霍兰认为，系统的复杂性源于主体的适应性。为了解释这一基本思想，霍兰将组成系统的元素、部分或子系统均称为主体，并指出，主体是有自身目标和自身内部结构的、具有主动性、适应能力和生存动力的“活”的个体，其基本特征是： 可在一定条件下，在双方彼此接受时，通过“粘着”形成像独立个体一样的多主体的聚集体； 主体及其属性的变化，主体与其他主体、主体与系统及环境的交互作用均是非线性的； 主体与其他主体、主体与系统及环境的交互作用均存在物质流、能量流和信息流，其中信息流的作用是重要的； 由于主体的适应性，使主体间差异发展与扩大，最终分化，导致主体的多样化。这些个体在与环境和其他个体进行交互作用时，通过不断地“学习”或“积累经验”，改变自身的结构和行为方式，以进一步适应环境，这种适应性导致了系统的复杂性。霍兰进一步提出，每个主体均有其复杂的内部结构；均有互相识别与选择的标识；以主体为构件，系统整体的复杂性不取决于构件的多少和构件本身的大小，而取决于构件的重新组合方式。霍兰建立了刺激反应模型，描述了主体的适应和学习过程。面对刺激，主体有足够多的、可存在矛盾或不一致的规则供选择，每一次选择，是一次学习，通过学习，修正或强化某些规则，就是积累，学习或积累将产生新的规则，即产生新的合理的假设去进一步适应环境。为了研究系统整体的复杂性，霍兰建立了以进攻标识、防御标识和资源库为基本特征的主体的功能模型回声模型，并利用圣菲研究所建立的软件平台SWARM，通过模拟主体行为来确定整体行为特征，解决从微观到宏观的过渡问题。该理论采用人机结合以机为主的方法解决复杂系统问题，是20世纪末系统科学研究的重大成果，对系统科学的发展具有划时代的作用。 2.1.2.5 开放复杂巨系统理论钱学森教授多年来对系统科学进行研究，在总结其研究成果的基础上于20世纪80年代末提出了处理开放复杂巨系统的方法论从定性到定量的综合集成方法和建立从定性到定量综合集成研讨厅的实践形式。该理论是我国科学家在世界上首次提出的解决开放的复杂巨系统的理论。钱学森教授首次提出开放的复杂巨系统的概念。钱学森教授在关于复杂性的讨论中反对泛泛地讨论复杂性，认为复杂是相对简单而言的，是从系统处理方法角度的一种分类，因此指出：“凡是不能用还原论方法处理的或不宜用还原论方法处理的问题，而要用或宜用新的科学方法处理的问题都是复杂性问题”，由此提出复杂性是系统的一种属性，应从研究方法上区分简单性和复杂性；钱学森教授指出，按规模系统可分为小系统、大系统和巨系统三个类别，而在巨系统等级中，有些规模虽大，但并不复杂，有些规模虽相对小，但却非常复杂，再按规模分类已无意义，应按复杂性将巨系统分为简单巨系统和复杂巨系统，从结构上看，组分多、关联复杂和具有层次，从处理方法上看，不能用还原论方法处理的系统，均可归入复杂巨系统一类；钱学森教授又对传统的开放性理论进行了完善，指出现有的开放性理论只考虑环境对系统地塑造，未提及系统对环境的塑造，他认为，开放是指系统与环境之间除进行能量、物质、信息的交换外，还应包括主动适应与进化，这种交流不仅要考虑环境对系统的作用，还必须考虑系统对环境的影响。由此钱学森教授提出了开放的复杂巨系统的概念，并指出，不同的系统应采用不同的方法去解决，简单巨系统由于组分数量非常多，从组分之间的相互作用出发，直接综合成整个系统运动特征的处理方法是不行的，而略去细节，采用统计力学方法，会取得成功。哈肯和普里高津建立的自组织理论就是应用这种从微观到宏观的统计综合方法。钱学森教授认为，解决开放的复杂巨系统问题，必须采用新的科学方法论从定性到定量综合集成方法。从定性到定量综合集成方法是从整体上研究问题的方法，采用人机结合以人为主的思维方法和研究方式，对不同层次、不同领域的信息和知识进行综合集成，达到对整体的定量认识。该方法的实质是把专家系统、数据和信息系统以及计算机系统结合起来，构成一个高度智能化的人机结合系统。面对复杂问题，应用该方法首先将科学理论、经验知识和专家判断力相结合，形成和提出经验性假设或方案；然后根据整个系统观测的数据资料，在对系统的实际理解和经验的基础上建立系统模型，通过计算机仿真、实验和计算获得定量结果，同时充分利用知识系统和专家系统等人工智能、信息技术，以专家系统为主，实现人机结合与融合，进行科学和经验知识、理性和感性知识、定性和定量知识的综合与集成，实现从经验到理论、从定性到定量的优化；最后对经验性假设或方案的正确性进行判断或修正，从而得出对系统整体的客观结论。该方法的精髓在于人机结合、以人为主和知识的综合集成。（1）人机结合、以人为主。 人有逻辑思维和形象思维两种，逻辑思维采用微观的定量的信息处理方式，形象思维采用宏观的定性的信息处理方式，将二者结合将形成人的创造性思维，即采用将定性与定量、微观与宏观相结合的信息处理方式。计算机在逻辑思维方面具有优势，而在形象思维方面则无能为力，只有靠人脑去完成，人机结合则将人脑和计算机的优势相结合，从总体上认识复杂系统是从微观到宏观的过程，因此以人的形象思维为主，以计算机的逻辑思维为辅，将二者相结合，则具有较强的处理复杂系统的能力。（2）知识的综合集成。 有了信息未必就有了知识，有了知识就未必有了智慧，把不同层次、不同领域的人的思维、思维的成果、人的经验、知识、智慧以及各种情报资料和信息进行综合集成可以产生新的知识、发现新的规律、获得新的认识。对信息进行综合集成可获得知识，对信息和知识的综合集成可获得智慧。综合集成方法处理开放复杂系统的基本模式见图2.1.2。系统运行系统运行决策部门提出问题形成判断建模仿真分析优化结果分析综合集成结论与建议统计数据信息资料专家体系图2.1.2 综合集成方法思维过程在解决开放复杂系统时，钱学森教授提出的综合集成方法论比复杂适应系统理论更加科学、更加“精确”，具有从定性判断到精密论证、从以形象思维为主的经验判断到以逻辑思维为主的精密定量论证的特点。其哲学基础是认识论和实践论，其理论基础是思维方法，其方法基础是系统科学与数学，其技术基础是以计算机为主的信息技术。2.2 系统工程2.2.1 系统工程的定义现代科学技术为系统思想的定量化创造了条件，它为系统思想定量化提供了数学理论和强有利的计算工具计算机，并推动了系统科学的发展。到20世纪60年代，系统思想的定量化已发展成既有理论指导，又有科学方法和实践内容的新的工程技术学科系统工程。系统工程作为一门学科问世以来，仅仅60年的时间，在各行各业、各个领域都得到了广泛的应用，收到了良好的效果，同时系统工程的实践也促进了本学科的继续发展与完善。毋庸置疑，系统工程已成为当前最有前途的学科之一。但是系统工程毕竟是一门非常年青的学科，它的理论和方法尚需在实践中进一步发展与完善。到目前为止，关于系统工程的定义和研究的内容，国内外学者仍齐说不一，原因在于：（1）系统工程的理论和方法是在自然科学、社会科学和数学科学向纵深发展时产生一些需要协同解决的问题的情况下产生的，从事不同专业的人，出于专业兴趣，对系统工程有不同的理解；（2）由于系统工程是现代科学技术的产物，它综合地运用各学科的先进成果去解决面临的问题，因此很难划清系统工程的学科界限。由于以上原因，从事不同专业的人为系统工程所作的定义也各不相同。这里首先介绍钱学森教授对系统工程定义的说明。钱学森教授在“系统思想与系统工程”一文中说：“20世纪40年代以来，国外对定量化系统方法的实际应用相继取了许多不同的名称：运筹学（Operations Research）、管理科学（Management Science）、系统工程（Systems Engineering）、系统分析（Systems Analysis）、系统研究（Systems Research），还有费用效果分析（Cost Effectiveness Analysis）等。他们所谓运筹学，指目的在于增加现有系统效率的分析工作；所谓管理科学，指大企业的经营管理技术；所谓系统工程，指设计新系统的科学方法；所谓系统分析，指对若干可供选择的执行特定任务的系统方案进行选择比较；如果上述选择比较着重在成本费用方面，即所谓费用效果分析；所谓系统研究，指拟制新系统的实现程序。现在看来，由于历史原因形成的这些不同名称，混淆了工程技术与其理论基础即技术科学的区别，用词不够妥当，认识也不够深刻。国外曾有人试图给这些名词的涵义以精确区分，但未见取得成功。用定量化的系统方法处理大型复杂系统的问题，无论是系统的组织建立，还是系统的经营管理，都可以统一地看成是工程实践。工程这个词18世纪在欧洲出现的时候，本来专指作战兵器的制造和执行服务于军事目的的工作。从后一涵义引伸出一种更普遍的看法：把服务于特定目的的各项工作的总体称为工程，如水利工程，机械工程等，如果这个特定的目的是系统的组织建立或者是系统的经营管理，就可以统统看成是系统工程。国外称运筹学、管理科学、系统分析、系统研究以及费用效果分析的工程实践内容，均可以用系统的概念统一归入系统工程；国外所称运筹学、管理科学、系统分析、系统研究以及费用效果分析的数学理论和算法，可以统一地看成是运筹学。”综合归纳上述意见，我们认为：系统工程是一门新兴的工程技术学科，是应用科学。它不仅定性，而且定量地为系统的规划与设计、试验与研究、制造与使用和管理与决策提供科学方法的方法论科学，它的最终目的是使系统运行在最优状态。系统工程的研究内容具有以下特点：(1) 系统工程不同于一般的工程技术学科。一般工程技术学科，如水利工程、机械工程等都与形成实物实体的对象有关，国外将这类工程称为“硬”工程，而系统工程的研究对象除了这类“硬”工程之外，尚包括这种工程的组织与经营管理一类被国外称为“软”科学的各种内容。(2) 系统工程涉及各种学科、各个领域的各种内容。把一个工程项目作为系统来处理，必须涉及其他工程技术的内容。如果把一般工程学科作为一条代表专业的纵线，则系统工程则是跨越各条纵线的一条横线。它通过横向的综合，提出解决问题的方法和步骤，因此它是跨越不同学科的综合性科学。如建筑工程是专业技术工程学科，它主要研究建筑设计和施工技术，而建筑系统工程则是综合社会、经济、生态及其他工程技术系统等进行城市的规划、设计与管理、建筑物的设计、施工组织等问题，开展以规划、设计、施工及管理为主线，以社会学、经济学、生态经济学、美学、工业工程学、电子学等为基础的综合、系统的研究，以实现城市系统社会、经济、生态效益的统一和优化。(3) 系统工程在研究问题时，概念、原则、方法是主要的、本质的，而在系统工程中应用的具体数学方法和计算技术是处理和解决系统问题的手段和工具，是为系统工程的概念、原则和方法服务的。(4) 任何系统都是人、设备和过程的有机组合，其中人是最主要的因素。因此在应用系统工程的方法处理系统问题时，要以人为中心。（5）采用问题导向，面向实际问题，探寻解决问题的方法，克服方法导向，避免以方法“套”问题、“找”问题。 2.2.2 系统工程的基本观点（1） 整体性观点。 所谓整体性观点即全局性观点或系统性观点，也就是在处理问题时，采用以整体为出发点、以整体为归宿的观点。这种观点的要点是： 合理确定系统边界，分析与研究系统与环境的关系，克服系统思维容易犯的“扩大化”错误。 处理问题时需遵循从整体到部分进行分析，再从部分到整体进行综合的途径，要确定整体目标，并从整体目标出发，协调各组成部分的活动，即采用分析-重构方法，只用还原方法从部分着手研究问题，会使我们离开辩证法，陷入形而上学。 组成系统的各部分处于最优状态，系统未必处于最优状态；整体处于最优状态，可能要牺牲某些部分的局部利益和目标，不完善的子系统，经合理的整合，可能形成性能完善的系统。（2） 综合性的观点 所谓综合性的观点就是在处理系统问题时，把研究对象的各部分、各因素联系起来加以考查，提炼出事物规律性和共同性的研究方法。该方法可避免片面性和主观性。阿波罗登月计划总指挥韦伯曾指出，当前科学技术的发展有两种趋势，一是向纵深发展，学科日益分化；一是向整体方向发展，搞横的综合。阿波罗计划中没有一项新发明的自然科学理论和技术，都是现成科学的运用，关键在于综合，综合是最大的科学。系统工程就是指导综合研究的理论和方法。韦伯的这段话说明了综合性的观点是系统工程处理问题时的基本观点。要做到综合地处理问题，要从以下几方面着手： 要应用多学科知识解决问题，避免片面性，只靠一个人是不行的，必须组成由多方人士参加的“专家组”，由一种“T”字形人才，即系统工程师去组织。 要用综合性指标来评价系统，系统综合评价指标体系见图2.2.1。信息环境因素物质能量系 统费用性能时间可靠性可维修性寿命系统整体功能图2.2.1 系统综合评价图 不被表面现象迷惑，注意研究潜在因素对系统的影响。如某地区在200年前，森林、农田、牧场构成一协调的生态系统，在此系统中，林丰、草旺、田肥，从事各种生产经营活动，各得其所。为了发展农业，毁林、毁牧开荒，只经100多年的时间，这片肥沃的土地就变成了沙丘累累的荒芜地带。这就是对系统的开发缺乏综合性的后果。“文革”期间，南方某些地区围湖造田，一些林区、牧区毁林开荒、毁牧开荒所引起的后果都是缺乏综合性的例证。（3） 科学性的观点。 科学性的观点就是要准确、严密、有充足科学依据地去论证一个系统发展和变化的规律性。不仅要定性，而且必须定量地描述一个系统，使系统处于最优运行状态。马克思曾明确指出，一种科学，只有当它成功地应用了数学的时候，才能达到完善的地步。数学方法已成为解决系统工程问题的主要方法。在强调采用定量方法的同时，有以下两个问题必须引起我们的注意： 必须在定性分析的基础上进行定量分析，定量分析必须以定性分析为前提。只进行定性分析，不能准确地说明一个系统，只有进行了定量分析之后，对系统的认识才能达到一定的深度，结论才能令人信服。然而没有定性分析做指导，定量分析就失去了依据，就会成为“数学游戏”。因此，我们强调要摆正定性分析和定量分析的辩证关系，在处理问题时，一定要在定性分析的基础上应用数学方法，建立模型，进行优化，从而达到系统最优化的目的。 合理处理最优和满意的关系。在处理系统问题时，使系统达到最优往往比较困难，在个别情况下，“最优方案”有时不被人理解和接受，因此利用满意的概念会使问题得到圆满的解决。从数学上的最优过渡到情意上的满意是西蒙的一大发现。因此在处理问题时，要处理好满意和最优的关系。这一原则是不违背科学性的观点的，因为寻求满意解也是科学。（4）关联性的观点。 所谓关联性的观点是指从系统各组成部分的关联中探索系统的规律性的观点。我们曾指出，一个系统是由很多因素相互关联而成的，正是这些关联决定了系统的整体特性。因此在处理系统时，必须努力找出系统各组成部分之间的关系，并设法用明确的方式描述这些关系的性质，从而揭示和推断系统的整体特征，也只有抓住这些联系，用数学、物理、经济学的各种工具建立关系模型才能定量和定性地解决系统问题。否则对一些复杂的问题会无从下手。难怪钱伟长教授在介绍系统工程时曾风趣地将系统工程称为“关系学”。美籍苏联经济学家列昂节夫在研究国民经济系统时，就是抓住各物质生产部门之间的联系并使其定量化，从而以投入产出模型揭示国民经济总体的发展变化规律。揭示系统各组成部分之间的关联是靠分析和观察实现的，切忌凭空臆造和估计。如达尔文曾发现英国有一种三叶草与村子中猫的数量有关，通过观察发现，三叶草靠土蜂传粉，田鼠以土蜂为生，猫又是鼠的天敌，因此构成了一串称为食物链的联系：三叶草土蜂田鼠猫。猫多、鼠少，则蜂多，三叶草就茂盛，反之，猫少、鼠多，土蜂就少，三叶草必然就少。把该关系定量化，即可得出猫与三叶草的关系。就可通过控制猫的多少，实现对三叶草的控制。这一简单的生态系统就是从关联入手解决的。可见关联性的观点在解决系统问题中的重要作用。（5） 实践性的观点。 实践性的观点就是要勇于实践，勇于探索，要在实践中丰富和完善以及发展系统工程学理论。系统工程不是束之高阁的空头理论，也不是玄妙的数学游戏，它是来源于实践并指导实践的理论和方法，只有在实践中、在改造自然界的斗争中，系统工程才会大有作为并得到迅速的发展。采用“问题导向”、摒弃“方法导向”是系统工程实践的主要方法。2.3 系统工程的基础理论和工具系统工程是综合地运用各种学科的科学成就为系统的规划设计、试验研究、制造使用和管理决策提供科学方法的工程技术，它是在运筹学、控制论和计算科学广泛实践的基础上，应用系统方法去解决其实践内容的工程技术。按钱学森教授所建立的系统科学体系（见图2.1.1）系统工程的基础理论是运筹学、控制论和信息论等组成的一类技术科学，其基本工具是计算机以及为其提供计算方法的计算科学。2.3.1 系统工程的基础理论2.3.1.1 运筹学作为科学研究对象的客观世界是由物和事组成的，物是独立于人的意识而存在的物质客体，事是指人们变革自然和社会的各种有目的的活动；由此，人的知识可分为关于物的知识和关于事的知识，对物的自然属性进行研究，探讨其运动与变化规律，就是广义的“物理”学，探讨办好事情的规律与方法，就是“事理”学，运筹学是事理学中专门研究通过定性谋划和定量计算制定办事方案一类问题的科学，是一类可以用数学语言描述的事理学。运筹学是20世纪40年代发展起来的一门科学，它是管理系统的人为了获得系统运行的最优解而使用的一种科学方法。这里所说的运筹学，沿用了第二次世界大战时出现的名词运筹学。当时的运筹学包含了一些今天所说的军事系统工程的内容，故又称为军事运筹学。现在的运筹学属技术科学，它不包括军事系统工程的内容，只包括系统工程的特有的数学理论：线性规划、非线性规划、博弈论、排队论、库存论、动态规划等内容。目前，有些人把运筹学和系统工程混淆起来，甚至有人认为二者是一个内容，这是错误的。造成这一认识的原因是对“运筹学”概念的理解，运筹学这一概念，国外与国内有不同的解释，国外的运筹学有与国内系统工程相似的内容，因此，被称为“狭义系统工程”，而国内运筹学是按钱学森教授的说法，将其定义为数学方法与理论。由系统科学体系可见，运筹学和系统工程是既有联系又有区别的两类不同层次的科学。我们可以这样来理解两类学科的联系、区别和涵义： 运筹学是从系统工程中提炼出来的基础理论，属于技术科学；系统工程是运筹学的实践内容属工程技术。 运筹学在国外被称为狭义系统工程，与国内的运筹学内涵不同，它解决具体的“战术问题”；系统工程侧重于研究战略性的“全局问题”。 运筹学只对已有系统进行优化；系统工程从系统规划设计开始就运用优化的思想。 运筹学是系统工程的数学理论，是实现系统工程实践的计算手段，是为系统工程服务的；系统工程是方法论，着重于概念、原则、方法的研究，只把运筹学作为手段和工具使用。常用的运筹学方法包括以下几种：（1） 数学规划。 数学规划是在某一组约束条件下，寻求某一函数（目标函数）的极值问题的一种方法。如果约束条件用一组线性等式或不等式表示，目标函数是线性函数时，就是线性规划。线性规划是求解这类问题的理论和方法，它在企业经营管理、生产计划的安排、人员物资的分配、交通运输计划的编制等方面有广泛的应用，是目前理论上比较成熟、实践中应用较广的一种运筹学方法。如果在所考虑的数学规划问题中，约束条件或目标函数不完全是线性的，则称为非线性规划。在实践工作中所遇到的大量问题一般都是非线性问题，用线性规划是难以解决的，这也正是线性规划的局限性。非线性规划是解这类问题的理论和方法。这种方法在理论上不如线性规划成熟，但随着科学的发展和电子计算机的普及，非线性规划将越来越重要，它能比线性规划更准确、更严密地解决问题。（2） 动态规划。 这种方法是在动态条件下解决多阶段决策过程最优化的一种数学方法，它可使多维或多级问题变成一串每级只有一个变量的单级问题，适用于解决多阶段的生产规划、运输及经营决策等问题。（3） 库存论。 物资管理是经营管理的主要内容之一。该理论主要研究在什么时间、以多大数量组织进货使得存储费用和补充采购的总费用最少。库存问题包括静态库存模型和概率型库存模型。其中静态库存模型实质上是无约束非线性规划模型的一种。（4） 排队论 排队论是研究服务系统工作过程的一种数学理论和方法，是研究随机聚散的理论。它通过个别随机服务现象的统计研究，找出反映这些现象的平均特性，从而改进服务系统的工作状况。（5） 网络分析和网络计划。 研究网络图中点和线关系的一般规律的理论称为网络分析。它是应用图论的基本知识解决生产、管理等方面问题的一种方法。网络计划是用网络图的形式解决生产计划的安排、控制问题的一种管理方法。常用的网络计划方法有关键线路法（CPM）， 计划评审技术（PERT）以及决策关键线路法（DCPM）、图解评审技术（GERT）等。（6） 决策论。 决策论应用于经营决策。它是根据系统的状态、可选取的策略以及选取这些策略对系统所产生的后果等对系统进行综合的研究，以便选取最优决策的一种方法。（7） 对策论。 对策论又称博弈论，是研究竞争现象的数学理论与方法。最早产生于第二次世界大战，用于军事对抗，后来扩展到各种竞争性活动。在竞争活动中，由于竞争各方有各自不同的目标和利益，它们必须研究对手可能采取的各种行动方案，并力争制定和选择对自己最有利的行动方案。对策论就是研究竞争中是否存在最有利的方案及如何寻找该方案的数学理论与方法。当前，面临的系统越来越大、越来越复杂，已经由简单的、“结构良好”的问题向复杂的、“结构不良”的问题推进，运筹学的局限性也逐步暴露出来，其局限性表现在： 面对“结构不良”的复杂问题，单纯依靠数学模型很难解决问题。 由于分支较细，容易将人们引入方法导向的误区。 系统的状态、发展与演化受各种因素影响，其中很多因素当前很难准确定量，使运筹学方法的应用受到限制。 追求最优解的思想是正确的，但复杂系统的实践中往往不存在最优解，寻求次优解或满意解、寻求对系统的改善往往是重要的。鉴于运筹学存在的片面性，国内外学者进行了深入的研究，提出了运筹学软化的思想。西方出现了软运筹学和硬运筹学的概念，硬运筹学主要研究结构清楚、目的明确的问题，使用的理性工具是为进行定量描述而引入的数学模型，追求的是最优解；而软运筹学是研究的是议题，即在社会过程中人们不断“构建”的、本身存在争议的问题，使用的理性工具除了数学模型，还包括为理清思路而引入的概念模型，追求的是满意解或可行且满意的行动方案。钱学森教授等提出了“事理学”，指出运筹学是关于“结构良好”的事理问题的数学理论，是最优化理论；“事理学”是关于“结构不良”的事理问题的半定性、半定量的科学理论，使寻求较优化或满意解的一般优化理论。我国学者顾基发在钱学森、许国志研究的基础上又提出了物理、事理、人理系统方法论，提出应“懂物理、明事理、通人理”的系统方法论，认为在处理复杂系统时，既要考虑物的方面（物理），又要考虑这些物的使用方面（事理），还要考虑由于认识问题、处理问题、实施管理与决策都离不开人的方面（人理），把这三方面结合起来，利用人的理性思维的定性、连续、多层次、阶序性以及形象思维的综合性、灵活性和创意性，去组织实践活动，会产生最大的效率和效益。这些工作都表明运筹学的研究正向把定性与定量相结合、把做事与做人相结合的方向发展。2.3.1.2 控制论控制是控制者选择适当的控制手段作用于受控者以期引起受控者行为状态发生符合目的的变化的活动，它是建立、维持、提高系统有序性的手段。提供设计、建立和使用控制系统的概念、原理和方法的知识就是控制论。控制论是20世纪40年代中期发展起来的一门技术科学，它是自动控制、电子技术、无线通信、生物学、生理学、统计力学等学科相互渗透的产物，它应用反馈的方法研究系统如何根据环境的变化来决定和调整自己行动的问题。它除了研究工程控制系统以外，还研究组织的管理系统，以及动态分析、动态控制和动态优化等问题。1948年美国科学家维纳创立了控制论，提出了控制的基本思想和基本哲学，他的两个基本观点是：一切生命和无生命系统都是信息系统；一切生命和无生命系统都是反馈系统。这就消除了生命系统与无生命系统的控制界限，提出了任何科学方法可以同样适用于有生命系统和无生命系统，其中包括社会系统和经济系统。控制论可以分为三代。第一代为控制论，第二代为现代控制论，第三代为大系统理论。控制论研究单输入、单输出系统，以输出输入方程（传递函数）研究系统的运动规律。现代控制论引入了状态变量，它从系统状态变化的角度说明一个系统的运动，故可解决高阶问题。大系统理论主要解决大规模的复杂系统问题，因为这类系统无法用传统的方法来解决，因此需要采用一些特殊的方法如分解协调法来解决。按控制论在各领域的应用，又有工程控制论、生物控制论、经济控制论和社会控制论等分支。生物、经济和社会系统均是开放的复杂巨系统，对他们的控制不能应用简单的控制理论来解决，有待从新兴的复杂性科学中吸取新的控制思想和方法。控制是以信息为基础的，按获取信息的程度又可把系统分为白箱系统、灰箱系统和黑箱系统等。2.3.1.3以计算机技术为基础的信息科学香农于20世纪40年代基于通信技术提出了信息论，它是一门从信息的概念出发研究信息的度量和通信的理论与方法的技术科学。将研究对象作为系统来处理，通常撇开物质和能量的流动而将其抽象为信息的流动，组成系统的各要素、子系统之间、系统各层次之间、系统与环境之间的相互作用与联系均通过信息的交换、加工和处理来实现，系统的演化、整体的涌现性、高层次的出现等都需要用信息来解释，因此信息成为系统科学的基本概念。控制论的创始人维纳认为“信息就是信息，不是物质也不是能量”。但现代科学证明，信息是物质的一种特殊属性，是通信中消除了的不确定性，是增加了的确定性。信息是物质的一种基本属性表现在：一切信息均是由特定物质运动过程产生、发送、接收和利用的，世界上不存在与物质无关的信息，不存在不消耗能量而产生、获取、传送、存储和利用的信息，一个系统的信息只能在与其他系统的相互作用中表现出来。信息又是一种特殊的物质属性，其特殊性体现在：它可从系统中分离出来，转录到载体上，使我们能不直接接触系统而获得信息；信息可用符号记载并存储在介质中，供跨时间的传送和利用；信息可在系统未产生时，用符号构建其形态，然后再利用技术手段实现它；信息可共享，但却不因分享而减少；信息可传递，但在传递过程中可发生失真、湮没等而不守恒；信息具有时效性，新信息效用大，旧信息效用小，信息通过积累、经过整理和系统化，会产生新信息；信息具有价值，其价值由通信过程中消除不确定性的程度、通信的投入与获得信息的产出的差决定的。信息可用信息量、熵、最大熵、相对熵和剩余度的来的度量。一个消息的信息量I可由该消息发生的概率来决定,描述公式为I = log2 P 2.3.1 在处理系统问题时，往往需要多条消息，它们组成消息集，消息集的信息量用消息总体平均信息量，即熵来度量，它取决于可能的消息个数及其概率分布，概率分布越均匀，熵越大；当各消息等概率时，熵最大，得到最大熵；熵与最大熵之比称为相对熵；信源中不带信息的无益部分叫剩余，用剩余度表示。 信息的交换是由通信实现的，通过建立通信模型研究如何最经济地获取最大信息量，怎样对信息编码和译码，如何利用信道并减少噪声影响，用什么介质、怎样存储和利用信息等问题是非常方便的方法。通信的一般模型见图2.3.1。图2.3.1 通信模型信源编码信道译码信宿噪声目前，人们以计算机技术为基础，通过建立与优化信息网络，使信息的获取、传输、加工、存储和利用能力大幅提高，信息的交流更加快捷与方便，获取信息的途径更加广阔，信息处理速度加快，存储介质多样且容量巨大，